آشنایی با CFD و الزامات آن

آشنایی با CFD و الزامات آن

آشنایی با CFD و الزامات آن

دیدگاه تجربی

بررسی حرکت سیالات از دیر باز مورد توجه نوع بشر بوده و از آن استفاده های زیادی برده است. استفاده از بادبان در کشتی ها، آسیاب های آبی و بادی و … همه و همه در جهت دستیابی بشر به قدرت نهفته در حرکت سیالات بوده است. استفاده از تجربه و آزمایش، سنگ بنای شناخت حرکت سیالات و نحوه رفتار آن در طول تاریخ بوده است.

دیدگاه تحلیلی

با پیدایش حساب دیفرانسیل و انتگرال توسط نیوتن در قرن ۱۷ میلادی، بشر توانست نظم موجود در دینامیک سیالات را به زبان ریاضی بیان کرده و معادلات حاکم بر آن را استخراج نماید. اصلی ترین این معادلات که خود فرمی از قانون دوم نیوتن هستند در اوایل قرن ۱۹ توسط دو دانشمند فرانسوی و انگلیسی به نام های نویر و استوکس استخراج شد که نحوه حرکت یک المان سیال را تحت نیروهای وارد بر آن بیان میکند و به معادلات ناویر-استوکس (Navier-Stokes Equations) معروف است.

معادلات ناویر-استوکس، سه معادله با مشتقات جزئی است که غیر خطی و کوپل نیز می باشد. (Coupled Nonlinear PDE) و این مساله حل آن را بسیار مشکل می کند. از طرفی اعمال شرایط مرزی برای مسائل مختلف برای استخراج ثابت های این معادله کار آسانی نخواهد بود. به همین دلیل حل تحلیلی این معادلات جز در موارد خاصی همراه با ساده سازی های زیاد و شرایط مرزی ساده قابل انجام نخواهد بود. به عنوان نمونه، می توان از جریان سیال غیرقابل تراکم یک بعدی در لوله و در حالت آرام کاملا توسعه یافته (fully developed) و تحت اختلاف فشاری معلوم نام برد.

دیدگاه عددی

همانطور که مشاهده می شود، ساده سازی های زیادی بر روی معادلات انجام گرفته است که در کاربردهای صنعتی به هیچ عنوان قابل استفاده نمی باشد، به این دلیل که کمتر می توان جریان های یک بعدی و آرام را در مسائل مهندسی پیدا کرد. این موضوع، از بزرگترین ضعف های حل تحلیلی معادلات حاکم می باشد.

با پیدایش کامپیوترها با قدرت محاسباتی بالا و همچنین توسعه روش های عددی حل معادلات دیفرانسیل، امکان حل این معادلات توسط نرم افزارها و کدهای عددی فراهم گردید و علمی بنام دینامیک سیالات محاسباتی (Computational Fluid Dynamics) متولد شد.

با استفاده از این روش ها، میتوان معادلات ناویر-استوکس و دیگر معادلات حاکم (مانند بقای جرم، بقای انرژی، توربولانس، احتراق و …) را در یک دامنه مشخص، با شرایط مرزی معین و با روش های عددی متنوع حل کرده و نتایج مختلف از جمله سرعت، فشار، دما، چگالی، غلظت و … را در تمام نقاط دامنه بدست آورد.


بیشتر بخوانید: جریان‌های چند فازی و روش‌های شبیه‌سازی آن در CFD

مزایا و معایب دیدگاه های تجربی، تحلیلی و عددی

دیدگاه تجربی

مزایا

معایب

رفتار کامل طبیعت را نشان میدهد

هزینه سنگین آزمایشگاه و ساخت مدل های نمونه برای تست

کار با مواد سمی و خطرناک و همچنین پدیده هایی مانند شکافت هسته ای و انفجار، خطرات زیادی دارد

احتیاج به سنسورهای زیادی در نواحی مختلف میدان میباشد که نه تنها امکان پذیر نیست بلکه درون جریان نیز اختلال ایجاد میکند

عموما زمان زیادی میطلبد

دیدگاه تحلیلی

مزایا

معایب

حل دقیق و رفتار کامل طبیعت را نشان میدهد

بدلیل پیچیدگی معادلات حاکم، همیشه امکان ارائه حل تحلیلی وجود ندارد

امکان تعیین کیفیت و کمیت وابستگی بین پارامترهای مختلف در یک مساله را دارد

اعمال شرایط مرزی بجز در موارد ساده میسر نیست

دیدگاه عددی

مزایا

معایب

رفتار نزدیک به واقعی از پدیده مورد مطالعه را در اختیار طراح قرار میدهد

به شبکه ایجاد شده و روش های عددی مورد استفاده بسیار وابسته میباشد

مقادیر کمیت های محاسبه شده را در تمام میدان حل ارائه میدهد

برای انجام شبیه سازی، تنها به نرم افزارهای کامپیوتری، سخت افزار مناسب و یک تیم متخصص نیاز است

انواع مسائل با هر اندازه و مقیاسی را میتوان شبیه سازی نمود

در زمان به نسبت کمی میتوان شبیه سازی را انجام داد

امکان بررسی انواع مدل ها در کمترین زمان ممکن وجود دارد

مراحل انجام شبیه سازی عددی با کمک CFD

۱. تولید هندسه و استخراج دامنه حل (Pre-Processing)

این کار عموما در نرم افزارهای تخصصی CAD مانند CATIA، SolidWorks، NX و … انجام میگیرد. در این بخش، دامنه حل مورد نظر با دقت کافی مدل سازی شده و برای تحلیل آماده میشود.


۲. تولید شبکه (Pre-Processing)

معادلات حاکم، با استفاده از روش های عددی، بر روی نقاط گسسته ای حل خواهند شد که توسط الگوریتم های تولید شبکه ایجاد شده است.

۳. تحلیل مساله (Processing)

تعیین معادلات حاکم همراه با شرایط مرزی، مورد استفاده و همچنین انتخاب الگوریتم های عددی برای حل معادلات، در این بخش تعیین می شود.

۴. مشاهده نتایج (Post-Processing)

نتایج شبیه سازی در تمام نقاط دامنه حل قابل استخراج و مشاهده است. بسته به معادلات حاکم بر مساله، می توان خروجی های مختلفی از جمله توزیع سرعت، فشار، چگالی، دما، غلظت و … را مشاهده نمود.


به این مطلب امتیاز دهید.